Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation. Author: Raoufmoghaddam, Saeed Title: Development of homogeneous catalysts for the selective conversion of levulinic acid to caprolactam Issue Date:

2 Samenvatting (Summary in Dutch) Algemene Inleiding; alternatieve routes naar caprolactam (Hfdst. 1) Zoals beschreven in Hoofdstuk 1, is het vinden van alternatieve, duurzame grondstoffen voor de chemische industrie in de laatste jaren steeds belangrijker geworden vanwege de hoge prijs van fossiele grondstoffen en de toenemende vraag naar energie. Daarnaast is de atoomefficiënte en energie-efficiënte productie van brandstoffen en chemicaliën een onderwerp dat steeds belangrijker wordt voor de chemische industrie, voor een duurzame wereld met een verminderde uitstoot van broeikasgassen. Lignocellulose uit biomassa is een van de meest aantrekkelijke duurzame grondstoffen voor chemicaliën. Hydroxymethylfurfural (HMF), verkregen uit lignocellulose, kan gebruikt worden om een grote verscheidenheid aan chemicaliën te maken, die op dit moment nog gemaakt worden uit aardolie. Een van de stoffen die gemaakt kan worden uit HMF is levulinezuur (LA); dit kan gebruikt worden voor de productie van chemicaliën zoals caprolactam. ε-caprolactam is een monomeer voor de productie van nylon-6, een veel gebruikt synthetisch polymeer met een jaarlijkse productie van ongeveer vier miljoen ton. In Hoofdstuk 1 wordt het huidige industriële proces naar caprolactam beschreven, en een overzicht gegeven van alternatieve syntheseroutes gebaseerd op butadiëen. In Hoofdstuk 1 wordt ook een gerapporteerde alternatieve synthese gebaseerd op biomassa beschreven, te weten een multi-stap katalytische omzetting van hydroxymethylfurfural (HMF) naar caprolacton. Het uiteindelijke doel van het onderzoek beschreven in dit proefschrift is de ontwikkeling van een nieuwe syntheseroute naar caprolactam uit γ-valerolacton (GVL), een verbinding die gemaakt kan worden uit, vanuit biomassa gewonnen levulinezuur. De voorgestelde route verloopt via de zuur-gekatalyseerde reactieve destillatie van GVL met methanol tot een mengsel van isomere methyl pentenoaten (MPs). De pentenamides (PAs) die gemaakt worden door aminolyse van de MPs met ammonia, zullen uiteindelijk moeten worden omgezet naar caprolactam via een intramoleculaire hydroamidomethyleringsreactie (Schema S.1). 237

3 Schema S.1. Voorgestelde synthetische route voor de omzetting van levulinezuur (LA) naar caprolactam Hydroamidomethylering is een chemische transformatie van een alkeen met een amide die tot dusver nog niet bekend was; daarom was een groot deel van het onderzoek dat beschreven is in dit proefschrift erop gericht om een effectief katalysatorsysteem te ontwikkelen voor deze nieuwe reactie. Hydroamidomethylering van een alkeen omvat een cascadereactie bestaande uit een hydroformylering van een alkeen met synthesegas naar aldehyde, gevolgd door een reductieve amidering van het aldehyde met een primaire amide. Om de hydroamidomethyleringsreactie systematisch te onderzoeken, zijn de deelstappen apart bestudeerd. Allereerst is een katalysatorsysteem ontwikkeld dat efficiënte reductieve amidering van een aldehyde met het primaire amide in puur waterstofgas katalyseert, zoals is beschreven in Hoofdstuk 2. De aanwezigheid van CO in synthesegas tijdens de beoogde hydroamidomethylering cascadereactie onderdrukt echter de hydrogeneringsreactie in de reductieve amideringsstap. Om het katalysatorvergiftigende effect van CO te overwinnen, is er gezocht naar promoters voor de hydrogeneringsreactie in de aanwezigheid van synthesegas (Hoofdstuk 3); uiteindelijk is het gelukt om de cascade hydroamidomethyleringsreactie van alkenen met amides succesvol uit te voeren. Overigens kunnen de reductieve amidering en hydromidomethyleringsreactie potentieel ook ingezet worden voor een nieuwe selectieve syntheseroute naar primaire amines uit aldehydes of alkenen; dit is beschreven in Hoofdstuk 4. Tenslotte is met de opgedane kennis getracht om de intramoleculaire versie van hydroamidomethylering toe te passen op de ultieme substraten 238

4 4-penteenamide en 3-penteenamide voor de synthese van caprolactam, hetgeen beschreven is in Hoofdstuk 5. Rhodium-gekatalyseerde reductieve amidering van aldehydes (Hfdst. 2) De nieuw-ontwikkelde katalytische reductieve amidering van een aldehyde (hexanal) met een primaire amide (acetamide) onder een zuivere waterstofatmosfeer wordt gerapporteerd in Hoofdstuk 2. Zorgvuldige analyse van de reactiemengsels liet zien dat naast het gewenste N-hexylacetamide 3, de twee isomere onverzadigde tussenproducten 2, als ook hexanol 4 werden geproduceerd, samen met producten met hogere massa 5 die ontstaan uit aldolcondensatie en di-amide-koppeling van hexanal (Schema S.2). Schema S.2. Reductieve amidering van hexanal met acetamide; waargenomen producten Toepassing van verschillende metaalverbindingen, liganden en reactiecondities toonde dat het katalytische systeem gebaseerd op [Rh(cod)Cl] 2 in combinatie met het ligand xantphos en een sterk zuur als co-katalysator een hoge selectiviteit voor het gewenste N-hexylacetamide 3 opleverde. Bij geoptimaliseerde condities werd een hexanal conversie van 98% behaald met meer dan 90% selectiviteit voor N-hexylacetamide 3, met een 3/4 ratio van >20, en een lage hoeveelheid van bijproducten 5. Het gebruik van verschillende aldehydes en amides in de reactie toonde aan dat de omzetting sterk afhankelijk is van de keuze van N-substraten, wat aangeeft dat de koppelingsreactie afhankelijk is van de nucleofiliciteit van de N en de sterische hindering van de substraten bij het stikstofatoom. NMR studies toonden aan dat de nucleofiele additie van acetamide aan hexanal door zuur word gekatalyseerd, waarbij N-(1-hydroxylhexyl)acetamide 2a word gevormd in een evenwicht met zowel hexanal als 2 (Figuur 2.6). Een katalytisch mechanisme wordt voorgesteld waarin een sterk zuur zoals HOTs (para-tolueensulfonzuur) als co- 239

5 katalysator werkt door een snel chemisch evenwicht tussen de aldehyde, acetamide en de intermediairen 2 in te stellen, alsmede door de vorming van een kationische Rh III /xantphos verbinding. Er wordt voorgesteld dat de hoge substraatspecificiteit in de hydrogenering wordt veroorzaakt door de intrinsiek lagere aldehydehydrogeneringsactiviteit van de kationische Rh III -verbinding. De neutrale, laagvalente hydrido-rh I verbinding zou de binding van de aldehyde via de π-elektronen prefereren, waardoor alcohol 4 wordt gevormd. De kationische, hoogvalente dihydrido-rh III verbinding die aanwezig is in een zuur milieu prefereert de binding het imidointermediair 2, die met zowel de carbonylzuurstof als de imide onverzadigde binding coordineert, waardoor het gewenste product wordt gevormd (Schema S.3). Schema S.3. Voorgestelde katalytische cycli voor de hydrogenering van een aldehyde versus onverzadigde imido-intermediairen Het katalytische systeem met rhodium/xantphos/hots voor de reductieve amidering van een aldehyde met een amide geeft veelbelovende omzettingsgetallen (TON=1800) en goede opbrengsten van het gewenste product (~90%) bij relatief milde reactieomstandigheden. Chemo- en regioselectieve homogene rhodium-gekatalyseerde hydroamidomethylering van 1-alkenen naarn-alkylamides (Hfdst. 3) In Hoofdstuk 3 wordt beschreven hoe een katalysatorsysteem is ontwikkeld dat in staat is de vorming van aldehyde uit een alkeen met behulp van synthesegas (CO/H 2 ) te 240

6 combineren met reductieve amidering van deze aldehyde onder dezelfde synthesegas condities. Deze ontwikkeling maakt directe mono-n-alkylering van primaire amides met 1-alkenen en synthesegas door middel van een katalytische hydroamidomethyleringsreactie voor de eerste keer mogelijk. Een selectief rhodium/xantphos katalysatorsysteem is zo ontwikkeld voor deze reactie, waarbij 1-penteen en acetamide als modelsubstraten zijn gebruikt. Naast het product N-hexylacetamide 3 kunnen aldehyde 1, de isomere onverzadigde intermediairen 2, hexanol 4 en bijproducten 5 met een hogere massa als ook de overeenkomstige isomere vertakte producten gevormd worden (Schema S.4). Schema S.4. Hydroamidomethylering van 1-penteen met acetamide: waargenomen producten, intermediairen en bijproducten Zoals aangetoond in het onderzoek naar de katalytische reductieve amideringsreactie (Hoofdstuk 2), is een katalytische hoeveelheid van een sterk zuur zoals HOTs nodig als katalysator voor de evenwichts-condensatiereactie van de amide met de aldehyde. Gevonden werd dat de toevoeging van een zwak zuur als promotor, zoals HOR F (1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropylalcohol) in hoeveelheden als oplosmiddel, ook een sterke impact op het verloop van de katalytische hydroamidomethyleringsreactie heeft, waardoor een actieve hydrogeneringskatalysator gevormd kan worden in de aanwezigheid van CO. Bij geoptimaliseerde condities werd een bijna volledige omzetting van het alkeen waargenomen met meer dan 80% selectiviteit voor het product N-hexylacetamide. Wanneer een hoge concentratie HOR F (HOR F /diglyme ~5/1 (v/v)) aanwezig is, wordt met hetzelfde katalysatorsysteem een buitengewoon hoge selectiviteit (~90%) voor de vorming van hexanol uit 1-penteen en synthesegas waargenomen; hiermee wordt een uniek voorbeeld van een selectieve Rhgekatalyseerde hydroformylering-hydrogenering tandemreactie bij milde condities gepresenteerd. 241

7 Schema S.5. Voorgesteld mechanisme voor de hydroamidomethylering van1-alkeen De tijdsafhankelijke productvorming tijdens hydroamidomethylerings batchexperimenten gaf bewijs voor de vorming van zowel de aldehyde als ook de onverzadigde enamido/imido verbindingen 2 als intermediaren in de reactie. Dit is een duidelijke indicatie dat de hydroamidomethylering via een drie-stap hydroformylerings-/condensatie-/hydrogeneringsreactie verloopt. Om de rol van HOTs en HOR F te onderzoeken is het effect bestudeerd van beide stoffen op de individuele stappen van de hydroamidomethylering-cascadereactie. De conclusie is dat HOR F in combinatie met het sterke zuur HOTs waarschijnlijk een katalysatorsysteem met twee functies maakt, dat bestaat uit een neutrale [(xantphos)(co)rh I -hydride] hydroformyleringskatalysator en een kationische [(xantphos)(co)rh III -hydride] n+ verbinding die in staat is om de imide en/of de eenamide intermediairen (die in een dynamisch, zuur-gekatalyseerde condensatie-evenwicht zijn met de aldehyde en de amide) selectief te reduceren (Schema S.5). De competitie tussen de twee substraten die betrokken zijn in de afzonderlijke katalytische cycli, die gecontroleerd wordt door anion-coördinatie met het kationische Rh III -deeltje, is de basis voor de chemoselectiviteit van de hydroamidomethyleringsreactie. Een interessante notie uit dit 242

8 werk is, dat de aanwezigheid van een amidereactant, als een zwakke base, ook een belangrijke rol speelt in de bepaling van de concentratie van anionen. Zowel HOR F als HOTs kan anionen leveren aan het kationische Rh III -hydride-complex, via protonering van de zwak-basische amide en het product, afhankelijk van hun relatieve concentraties, relatieve zuurtegraad en coördinatie-eigenschappen met het Rh deeltje. Dit rationaliseert de drastische verandering in selectiviteit naar N-hexylacetamide als hoofdproduct (>80%) bij relatief lage HOR F concentraties, naar hexanol als voornaamste product (>90%) bij hoge concentraties HOR F. Naar de synthese van primaire amines: de bestudering van rhodiumgekatalyseerde homogene reductieve amidering en hydroamidomethylering met formamide (Hfdst. 4) De katalytische reductieve amidering van een aldehyde met formamide als ook de directe hydroamidomethylering van een alkeen met formamide als het amide substraat is beschreven in Hoofdstuk 4. De katalytische synthese van N-alkylformamides kan leiden naar een nieuwe route om primaire amines te maken uit alkenen via decarbonylering van N-alkylformamide (Schema S.6). Schema S.6. De voorgestelde katalytische route naar primaire amines uit alkenen Gebruik van het katalysatorsysteem gebaseerd op rhodium/xantphos met HOTs als cokatalysator in de reductieve amidering van hexanal met formamide resulteerde in een hoge selectiviteit voor de vorming van N-hexylformamide (tot 90%). In vergelijking met de reductieve amidering met acetamide moet de hoeveelheid van de sterk-zure cokatalysator (HOTs) verhoogd worden om een zelfde selectiviteit te bereiken voor de reactie met formamide. Onder deze condities wordt de selectiviteit voor N- hexylformamide 3 ten opzichte van hexanol 4 spectaculair verhoogd (ratio 3L/4L ~60). De reductieve amideringsreactie werd verder onderzocht met verschillende aldehydes, waarmee werd aangetoond dat verschillende N-alkylformamides efficiënt gemaakt 243

9 kunnen worden. De katalytische hydroamidomethylering van penteen met formamide vertoont een relatief slechte selectiviteit voor N-hexylformamide. De hogere zuurconcentratie die nodig is voor een efficiente reductieve amidering, veroorzaakt overmatige (zuur-gekatalyseerde) acetaalvorming van HOR F met de aldehyde. De met acetalisering gepaard gaande waterproductie wordt verantwoordelijk gehouden voor de middelmatige prestaties van de hydroamidomethyleringskatalysatoren wegens obstructie van de intermediaire aldehyde-amide adductvorming. De decarbonylering van N-hexylformamide naar N-hexylamine werd gedemonstreerd met een aantal overgangsmetaalcomplexen of een sterke base. Echter, tot dusver is alleen een stoichiometrische omzetting behaald onder de gebruikte condities. Van duurzame grondstof naar groene nylon: katalytische omzetting van γ-valerolactone naar ε-caprolactam (Hfdst. 5) In Hoofdstuk 5 worden onze studies aangaande de conversie van GVL naar caprolactam gerapporteerd. Trans-esterificatie van GVL met methanol werd uitgevoerd volgens een gerapporteerde procedure, als een reactieve destillatie met een sterk Brønstedzuur als katalysator. Het destillatieproduct bestaat uit een mengsel van methanol, water, cis- en trans- methyl-3-pentenoaten (3-MP) en methyl-4-pentenoaat (4-MP), als ook kleine hoeveelheden GVL, methyl-2-pentenoaat (2-MP), methyl-4- methoxypentanoaat (4-MMP) en methyl-4-hydroxypentanoaat (4-HMP). Onder geoptimaliseerde omstandigheden werd bij een GVL-conversie van >90% een MPs selectiviteit van 95% behaald. Schema S.7. Intramoleculaire hydroamidomethylering van penteenamide naar caprolactam (Voor de duidelijkheid zijn alleen de lineaire producten afgebeeld). 244

10 Het mengsel van methylpentenoaten werd vervolgens omgezet naar een mengsel van de corresponderende pentenamides (PA). Het bleek dat het gebruik van ammonium hydroxide de beste resultaten gaf: bij geoptimaliseerde condities werd een omzetting naar >98% aan PAs gehaald. In het algemeen gaat de omzetting van 4-MP langzamer dan van 3-MP, wat verklaard kan worden door het inductieve elektronenzuigende effect van de dubbele band, die sterker is bij 3-MP dan bij 4-MP. Een atoom-efficiënte en regioselectieve intramoleculaire hydroamidomethylering van de resulterende penteenamides is de belangrijkste, nieuwe stap in het maken van caprolactam (Schema S.7). Het onderzoek naar de cascadereactie hydroformylering-reductieve amidering werd gestart met zuivere 4-penteenamide (4-PA) als substraat, onder de katalytische condities die ontwikkeld zijn voor de intermoleulaire reductieve amidering van een aldehyde met acetamide (Hoofdstuk 2, Schema S.8). Echter, zeer kleine hoeveelheden caprolactam werden verkregen. De toevoeging van HOR F aan het reactiemengsel bevorderde de hydrogeneringsactiviteit van de katalysator in de aanwezigheid van synthesegas. Hoewel de selectiviteit naar caprolactam significant verhoogd werd, werd een aanzienlijke hoeveelheid pentaanamide (valeramide, VA) gevormd. De hoeveelheid VA en de hoeveelheid oligomeren and polymeren bleek nog veel hoger te worden wanneer een katalytische hoeveelheid HOTs aan het reactiemengsel werd toegevoegd. Scheme S.8. Intramoleculaire hydroamidomethylering van het mengsel van 3-PA en 4-PA naar caprolactam: waargenomen producten, intermediairen en bijproducten. Verrassend genoeg werd na een hydroformyleringsreactie van 4-PA met het Rh/xantphos systeem zonder HOTs 2L als het voornaamste product waargenomen. Klaarblijkelijk wordt de aldehyde die gevormd wordt in de hydroformylering van 4-PA direct omgezet in onverzadigd caprolactam. Een uitstekende conversie (98%) en 245

11 selectiviteit voor het onverzadigde caprolactam 2L (~85%) werd behaald onder geoptimaliseerde condities. Het product 2L kon daarna bijna kwantitatief worden gehydrogeneerd naar caprolactam met hetzelfde katalysatorsysteem, door het synthesegas te vervangen door zuiver waterstofgas. Het beste resultaat toonde een algehele ~90% selectiviteit naar caprolactam 3L met 4-PA als beginstof. Schema S.9. Voorgestelde mechanistische wegen naar de vorming van verschillende producten bij de hydroamidomethylering van penteenamides Uiteindelijk werd de hydroamidomethyleringsreactie bestudeerd met het mengsel van 3- en 4- penteenamides direct afkomstig uit GVL. Het gebruik van POP-xantphos als ligand in het katalysatorsysteem, een fosforligand dat in combinatie met rhodium volgens gerapporteerde onderzoeken lineaire producten geeft in de hydroformylering van interne, lineaire alkenen, resulteerde in ~80% conversie met een algehele selectiviteit van ~75% voor het cyclische lactam. Hydroamidomethylering van 3-PA resulteerde in VA als hoofdproduct, wat verklaard kan worden door het chelerende effect van het penteenamide op het actieve Rh(I)-centrum. Waarschijnlijk is de migratie-insertie van de Rh-sec-alkylamide structuur B met CO om de Rhacylverbinding D te vormen door sterische redenen en het relatief sterke chelerende effect van de amidefunctionaliteit niet gunstig, terwijl de hydrogenolysesnelheid door hetzelfde chelerende effect in de Rh-alkylverbinding B verhoogd wordt (Scheme S.9). Hoewel nog verbetering behoevend kon toch nu al een veelbelovende algehele 246

12 caprolactam opbrengst van ongeveer 50-60% op basis van GVL worden gedemonstreerd. Mogelijke verbetering van de opbrengst moet vooral worden gezocht in een betere sterische en electronische afstemming van het ligand op het Rh centrum, zodat hydrogenering, van vooral de intermediaire 2- en 3-PA isomeren, wordt voorkomen. 247

13 248